銅納米顆粒/石墨烯核殼結(jié)構(gòu)材料催化研究獲進(jìn)展

　　近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員李越課題組和北京理工大學(xué)教授曲良體課題組合作，在核殼結(jié)構(gòu)的納米材料研究方面取得新進(jìn)展，研制出構(gòu)筑尺寸均一的石墨烯包覆銅納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其催化效率大幅提高，是金納米顆粒的14倍。相關(guān)研究成果以coppernanoparticle@graphenecompositearraysandtheirenhancedcatalyticperformance為題，在actamaterialia（2016,105,59-67）上發(fā)表。
　　
　　相比于單組份材料，由于核與殼的相互耦合，核殼結(jié)構(gòu)的納米材料（如以金屬顆粒為核，無(wú)機(jī)或有機(jī)材料為殼）的部分性能會(huì)大幅度提高。以貴金屬（鉑、金、銀等）納米顆粒為核的核殼材料，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電化學(xué)及催化等領(lǐng)域。然而，貴金屬資源非常有限，且價(jià)格昂貴，在一定程度上制約了這類(lèi)材料的大規(guī)模推廣應(yīng)用。而銅資源豐富、價(jià)格低廉，在某些方面具有和貴金屬類(lèi)似的性能，如較強(qiáng)的局域表面等離子共振，良好的電化學(xué)性能和催化性能等，因此銅納米顆粒被視為貴金屬納米顆粒理想的替代者。但是，目前合成銅納米顆粒的方法有一定局限性，例如銅納米顆粒尺寸的均勻性差，易團(tuán)聚，不宜長(zhǎng)時(shí)間保存，容易被氧化。這些問(wèn)題導(dǎo)致銅納米顆粒在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。
　　
　　針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用單層的膠體晶體為模板，通過(guò)磁控濺射沉積一層一定厚度的銅膜，在還原性和保護(hù)性氣氛下高溫退火，成功得到平方厘米級(jí)、顆粒尺寸均一的銅納米顆粒有序陣列。利用銅納米顆粒的還原性和氧化石墨烯的氧化性，采用一步法在銅納米顆粒表面制備2-3nm厚度的石墨烯層。上述材料在對(duì)4-硝基苯酚到4-氨基苯酚的還原過(guò)程中，表現(xiàn)出高的催化性能和穩(wěn)定性，該材料在催化過(guò)程中還可被重復(fù)利用。更重要的是，這種石墨烯包覆銅納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的催化效率比貴金屬納米顆粒提高很多，是現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的金納米顆粒催化效率的14倍。上述優(yōu)異的催化性能主要是由于石墨烯具有豐富的π-π鍵能與4-硝基苯酚發(fā)生共軛，有利于捕捉4-硝基苯酚分子；同時(shí)，石墨烯具有高的電子遷移率，利于加速反應(yīng)的進(jìn)程。石墨烯殼層還可以保護(hù)銅納米顆粒不被氧化，保持了高的穩(wěn)定性。
　　
　　上述研究得到了“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院科技創(chuàng)新“交叉與合作團(tuán)隊(duì)”等項(xiàng)目的資助。